不同小麦品种（系）耐低磷能力综合评价与代表性评价指标筛选

陈泽东，师焕婷，董殿琪，王亚鑫，王金凤，虞 波，王鹏飞，康国章，2

（1.河南农业大学国家小麦工程技术研究中心，河南 郑州 450046；2.神农种业实验室，河南 郑州 450002）

磷是植物生长发育所必需的三大矿质营养元素之一，它广泛参与植物细胞组成、能量代谢、物质转化等过程[1]。在土壤中，磷素由于易和其他金属元素形成难溶的磷酸盐[2]，导致植物常面临严重的磷匮乏。为保证作物产量，在农业生产中通过使用大量磷肥来解决土壤有效磷缺乏的问题。但作物对磷的利用效率非常低，其中，小麦对磷素的当季利用效率仅为19%[3]。大量的磷素被土壤固定或随径流作用流失，由此又引发一系列的环境污染以及严峻的磷矿资源枯竭等问题[4]。筛选耐低磷小麦种质，培育磷高效小麦新品种，对实现小麦的绿色生产和磷肥的减施增效具有重要意义。

土壤缺磷会导致小麦的正常生长受限、成穗数和光合效率降低，是影响小麦产量和品质的主要因素之一[5]。在以往的研究中，耐低磷小麦品种的选育往往是以植株磷含量、产量或磷利用效率等单一指标作为评价标准[6⁃7]。然而，小麦对磷缺乏环境的响应是一个复杂的过程，涉及磷素的获取、活化、吸收和转运等多个过程，例如：根系形态与构型的变化、根系有机酸分泌的增加、不同组织间磷素的再分配等[8⁃9]。耐低磷特性评价指标众多，但是不同性状指标对低磷胁迫的响应不同，且相互之间还存在多重共性问题，一定程度上影响了耐低磷能力评价的客观性。目前，关于小麦的磷效率评价标准尚未统一。近年来，随着耐性指数、主成分分析法、隶属函数法和灰色关联分析法等的综合运用，及其所建立的综合评价体系在作物抗逆和耐瘠性评价中的广泛应用，进一步提高了作物养分效率评价的准确度[10⁃11]。宋晓等[12]通过主成分分析初步筛选得到4个决定氮效率的主成分，并筛选出西农979、许科168 等10 个氮高效小麦品种；杨春婷等[13]通过综合评价体系认为，根系表面积、株高、地上部干物质量等7 个综合指标与苦荞磷效率密切相关；武兆云等[14]通过综合评价体系确定了地上部鲜质量和干质量、株高等8 个指标可作为苗期大豆的耐低磷鉴定指标。小麦对磷素的吸收和利用效率普遍存在品种差异，筛选和鉴定耐低磷小麦品种或种质资源是选育磷高效小麦品种的前提和基础[15⁃16]。目前，关于小麦耐低磷种质鉴定的研究主要集中在单一生育时期[5，7]，忽略了小麦不同生长阶段的磷吸收利用特性。因此，建立一套客观、高效的磷效率评价体系，是开展小麦耐低磷研究和选育磷高效利用小麦新品种亟待解决的一个问题。为此，以苗期和成熟期小麦为研究对象，采用营养液水培与池栽土培相结合的方法，测定11 个小麦品种（系）水培苗期15个性状指标和土培成熟期9 个性状指标，对小麦耐低磷能力进行综合评价和鉴定，并筛选出与小麦耐低磷特性紧密关联的评价指标，构建一套小麦耐低磷能力评价体系，为小麦耐低磷研究及磷高效小麦新品种的选育提供筛选依据和种质资源。

1 材料和方法

1.1 试验材料

供试材料为11个黄淮麦区小麦品种（系）：矮抗58、济麦22、丰德存麦5 号、百农607、新麦67、周麦18、安农188、天麦189、安农203、鑫华麦818 和豫农908。

1.2 试验方法

1.2.1 营养液培养 试验设置正常供磷（200µmol/L）和低磷处理（5µmol/L）。每个品种（系）挑选饱满一致的小麦种子，经75%乙醇对种子表面消毒30 s后，反复冲洗干净，种脐朝下置于湿滤纸上，于4 ℃黑暗培养72 h 后，挑选发芽一致的种子，均匀摆放在网盘上置于光照培养箱中进行水培，培养箱参数为昼夜温度24 ℃/16 ℃，昼夜时长16 h/8 h，相对湿度75%。将幼苗培养至两叶一心期，挑选长势一致的幼苗，去掉种皮转移到正常供磷和低磷处理的营养液中，以KH2PO4作磷源，低磷营养液用KCl 补充K，每个处理选苗20 株，移入相同参数设置的光照培养箱中，营养液每3 d 更换一次，培养21 d 后测定各项指标，生物学重复3次。

1.2.2 池栽培养 试验在河南农业大学科教园区池栽区中进行，池栽土壤为砂质潮土，播前0～20 cm土壤含有机质11.60 g/kg、全氮70.00 mg/kg、速效磷6.39 mg/kg、速效钾70.72 mg/kg，pH 值为8.55。池栽试验设0、120 kg/hm2两个施磷肥水平，每个处理设置3 次重复，每个池栽区中的11 个品种（系）随机排列。每个品种（系）种植规模为1 m×5 行，行距20 cm，株距3 cm，点播。磷素补充来源为重过磷酸钙（含P2O544%），在小麦播前作底肥全施；氮素补充来源为尿素（含N 46%），施用量为240 kg/hm2，1/2于播种前基施，1/2 于小麦拔节期追施；钾肥为硫酸钾（含K2O 60%），施用量为90 kg/hm2，于播种前全部基施。池栽区上茬作物为玉米，玉米秸秆全部还田，浇水等管理措施与当地大田一致。小麦于2021年10月下旬播种，2022年6月上旬成熟后收获。

1.3 测定项目及方法

1.3.1 株高、干质量、根系形态及产量 培养箱水培21 d 时，随机选取5 株幼苗，将其根系冲洗干净，注意保护根系完整性，测量株高。使用EPSON 扫描仪获取幼苗根系图像，用WinRHIZO 软件测定根系形态参数（总根长、根总表面积、根平均直径、根总体积、根尖数）。吸水纸吸除多余水分后将幼苗根与茎叶分开，105 ℃杀青30 min，然后80 ℃烘干至恒质量，称干质量，并计算根冠比。

成熟期，池栽区每个品种（系）选取5株植株，测量株高，并收取地上部分，分成籽粒和秸秆，105 ℃杀青30 min，然后80 ℃烘干至恒质量，称干质量，并计算单株产量。

1.3.2 植株磷含量 将水培苗期植株分为茎叶和根系两部分，将成熟期池栽区小麦分为籽粒和秸秆，分别烘干、粉碎，经H2SO4-H2O2消煮，用钼锑抗比色法测定磷含量[17]，并计算磷积累量、磷收获指数、籽粒磷利用效率。

磷积累量=磷含量×干质量；

磷收获指数=籽粒磷积累量/地上部分磷积累量；

籽粒磷利用效率=籽粒产量/地上部分磷积累量。

1.4 数据处理

采用Excel 2019 进行基本数据处理，利用Tutools（www.cloudtutu.com）进行相关性分析[18]；采用SPSS 20.0 进行主成分分析，并计算隶属函数值、权重和综合评价值，使用Origin 2021进行聚类分析。

式中，μ(Xj)表示第j个综合指标的隶属函数值；Xj表示第j个综合指标值；Xmax表示第j个综合指标的最大值；Xmin表示第j个综合指标的最小值。

式中，wj表示第j个综合指标在所有综合指标中的重要程度即权重；Pj为各品种（系）第j个综合指标的贡献率。

式中，D表示在低磷胁迫条件下各品种（系）耐低磷能力的综合评价值。

在线软件SPSSAU（https://spssau.com）用于灰色关联度分析，以不同时期各性状指标的耐低磷系数为特征序列，综合评价值为母序列。

2 结果与分析

2.1 不同小麦品种（系）苗期耐低磷能力评价

2.1.1 各指标耐低磷系数及其相关性分析 由表1可知，小麦根冠比耐低磷系数为1.264～1.440，均大于1，说明低磷促进了光合同化物向根系转运；与根冠比耐低磷系数相反，小麦幼苗株高、根干质量、茎叶干质量、单株干质量、根磷含量、茎叶磷含量等除根冠比外的其他指标的耐低磷系数均小于1，表明低磷胁迫限制了小麦对磷的吸收，影响了其生长发育，但品种（系）间同一指标的耐低磷系数不同。

表1 不同小麦品种（系）苗期各指标的耐低磷系数Tab.1 Low phosphorus tolerance coefficients of each index of different wheat varieties（lines）at seedling stage

进一步对各指标的耐低磷系数进行相关性分析。结果（图1）表明，小麦株高的耐低磷系数与茎叶磷积累量的耐低磷系数，茎叶磷含量的耐低磷系数与茎叶磷积累量、单株磷积累量、根总表面积、根总体积、根尖数的耐低磷系数，根尖数的耐低磷系数与根总表面积、根总体积的耐低磷系数呈显著正相关；单株干质量的耐低磷系数与茎叶干质量的耐低磷系数，根磷积累量的耐低磷系数与根磷含量的耐低磷系数，根总体积和单株总根长的耐低磷系数与根总表面积的耐低磷系数，茎叶磷积累量的耐低磷系数与单株磷积累量的耐低磷系数，根总表面积的耐低磷系数与单株总根长的耐低磷系数呈显著或极显著正相关；而根冠比的耐低磷系数与株高、茎叶干质量、茎叶磷积累量的耐低磷系数，根干质量的耐低磷系数与根总表面积、根总体积的耐低磷系数，根平均直径的耐低磷系数与根磷含量、根磷积累量的耐低磷系数呈显著负相关。上述部分指标的耐低磷系数存在一定的相关关系，表明不同指标所代表的小麦耐低磷能力的信息发生重叠。

图1 小麦苗期各指标耐低磷系数的相关性分析Fig.1 Correlation analysis of low phosphorus tolerance coefficient of each index of wheat at seedling stage

2.1.2 基于各性状耐低磷系数的主成分分析 由表2 可知，前4 个主成分的特征值均大于1，其贡献率分别为37.661%、26.443%、19.082%和7.168%，能综合反映大部分信息。第1主成分载荷较高的主要是茎叶磷含量、根总表面积和根总体积等；第2主成分载荷较高的是茎叶干质量和单株干质量；第3 主成分载荷较高的是根磷含量和根磷积累量；第4 主成分载荷较高的是根干质量、茎叶磷含量和根平均直径。4 个主成分反映了总信息量的90.354%。因此，利用这4 个综合指标对苗期小麦耐低磷能力进行综合评价。

表2 小麦苗期各综合指标的载荷矩阵、特征值及贡献率Tab.2 Load matrix，eigenvalue and contribution rate of each comprehensive index of wheat at seedling stage

续表2 小麦苗期各综合指标的载荷矩阵、特征值及贡献率Tab.2（Continued）Load matrix，eigenvalue and contribution rate of each comprehensive index of wheat at seedling stage

2.1.3 耐低磷能力评价 对2.1.2 提出的综合指标进行隶属函数值计算，得出11个小麦品种（系）苗期耐低磷综合评价值（表3），供试小麦苗期耐低磷能力表现为新麦67>矮抗58>百农607>豫农908>济麦22>周麦18>鑫华麦818>天麦189>丰德存麦5 号>安农188>安农203。

表3 不同小麦品种（系）的苗期综合指标值、权重、μ(Xj)值及综合评价值Tab.3 Comprehensive index value，weight，μ(Xj)and comprehensive evaluation value of different wheat varieties（lines）at seedling stage

2.2 不同小麦品种（系）成熟期耐低磷能力评价

目前，耐低磷作物的筛选通常以水培苗期阶段筛选为主，但忽略了作物在土培环境下对难溶无机磷的活化作用[19]。为进一步对不同小麦品种（系）的耐低磷能力进行综合评价，本研究设置了施磷肥和不施磷肥的池栽试验，测定了11个小麦品种（系）成熟期的株高、秸秆干质量、单株籽粒产量、地上部分干质量、秸秆磷积累量、籽粒磷积累量、地上部分磷积累量、籽粒磷利用效率和磷收获指数9 个与磷效率相关的性状，并计算所对应的耐低磷系数，然后进行主成分分析。结果（表4）表明，第1 主成分贡献率最大，其贡献率为46.118%，载荷较高的主要是单株籽粒产量、籽粒磷积累量和地上部分磷积累量等；第2 主成分的贡献率为32.389%，其中载荷较高的是株高和秸秆磷积累量；第3 主成分的贡献率为12.752%，载荷最高的主要是籽粒磷利用效率；3 个主成分的累计贡献率达到91.259%。进一步采用隶属函数法对这3 个综合指标进行计算，得到11 个小麦品种（系）成熟期的耐低磷能力的综合评价值。结果（表5）表明，供试小麦成熟期耐低磷能力表现为新麦67>济麦22>安农203>鑫华麦818>矮抗58>安农188>丰德存麦5 号>豫农908>周麦18>百农607>天麦189。

表4 小麦成熟期各综合指标的载荷矩阵、特征值及贡献率Tab.4 Load matrix，eigenvalue and contribution rate of each comprehensive index of wheat at maturity stage

表5 不同小麦品种（系）苗期与成熟期耐低磷综合评价值权重和综合表现Tab.5 Weights of comprehensive evaluation values and comprehensive performance for low phosphorus tolerance ofdifferent wheat varieties（lines）at seedling stage and maturity stage

2.3 不同小麦品种（系）的耐低磷能力综合评价及聚类分析

小麦苗期营养状况在很大程度上影响后期的生长发育，在低磷环境中，耐低磷能力强的小麦在中后期一般具有相对较强的磷吸收能力[20]。因此，为更准确地评价小麦的耐低磷能力，本研究综合分析了苗期和成熟期的耐低磷综合评价值，计算同一品种（系）在2个不同时期的耐低磷综合评价值的权重（表5），并根据综合表现对供试小麦品种（系）的耐低磷能力进行聚类分析（图2），结果表明，11个小麦品种（系）可划分为3类：耐低磷型品种（系）（新麦67、济麦22 和矮抗58）、较耐低磷型品种（豫农908、鑫华麦818、百农607 和周麦18）、低磷敏感型品种（系）（丰德存麦5 号、安农188、安农203 和天麦189）。

图2 不同小麦品种（系）耐低磷能力聚类分析Fig.2 Cluster analysis of low phosphorus tolerance of different wheat varieties（lines）

2.4 基于灰色关联分析的小麦耐低磷指标筛选

依据灰色关联系统理论，分别以苗期和成熟期性状指标的耐低磷系数为特征序列，耐低磷综合评价值为母序列，计算特征序列与母序列之间的关联度。结果（表6）表明，苗期耐低磷综合评价值与根磷含量、根磷积累量、单株总根长的耐低磷系数联系较密切，而成熟期耐低磷综合评价值与磷收获指数、秸秆干质量、地上部分干质量的耐低磷系数联系较密切。因此，可将上述指标作为相应时期小麦耐低磷能力评价的关键筛选指标。

表6 小麦苗期与成熟期各指标耐低磷系数与综合评价值的关联度及位次Tab.6 Correlation degree between low phosphorus tolerance coefficient and comprehensive evaluation value at seedling and maturity stages of wheat and order

3 结论与讨论

小麦的耐低磷特性是多性状的综合反映，受遗传与环境的共同影响。为消除遗传差异和评价指标之间的叠加冗余，保证综合评价值的准确性[21]，本研究首先将所观测的全部指标值转化为耐低磷系数，然后通过主成分分析和隶属函数法对各指标进行综合评价，最终将苗期的15 个和成熟期的9 个指标分别转化成4 个和3 个新的相互独立的综合指标，并得到11个小麦品种（系）苗期和成熟期的耐低磷能力的综合评价值。进一步通过灰色关联分析发现，与小麦苗期耐低磷综合评价值关系较密切的3 个指标耐低磷系数依次为根磷含量、根磷积累量和单株总根长的耐低磷系数，与小麦成熟期耐低磷综合评价值关系较密切的3个指标耐低磷系数依次为磷收获指数、秸秆干质量和地上部分干质量的耐低磷系数。因此，在小麦耐低磷品种评价和筛选过程中，可将这些指标作为主要考察对象，这将进一步简化小麦耐低磷品种的筛选评价工作。另外发现，在筛选出的评价指标中，苗期小麦的单株总根长和根磷含量的耐低磷系数与耐低磷综合评价值关联较密切，这可能与根系是植物获取水分和矿质营养的主要器官有关。由于磷在土壤中的移动性较差，为获取有限的磷，植物需要更大的根系面积来捕获土壤中的有效磷[22]，而根系发育往往又与茎叶发育紧密关联[23]，这意味着根系发育和形态建成在小麦苗期低磷适应过程中起着至关重要的作用，这可能也是部分小麦品种（品系）在苗期表现出耐低磷能力强的原因。因此，在磷高效小麦品种选育过程中，需要更加关注具有优良根系发育形态的种质资源，同时，优化根系形态与构型将是作物磷效率遗传改良的一个主要目标和方向[22]。

作物的磷效率是由磷吸收效率（PAE）和磷利用效率（PUE）共同决定的，磷吸收效率主要受根系从环境中吸收磷素能力和外界环境磷水平的影响，磷利用效率除了受磷水平的影响外，同时也与磷素在不同组织器官中的分配有关，尤其是磷素向籽粒的转运量[24⁃25]。苗期是作物养分吸收的重要阶段，该阶段的耐低磷特性主要体现在根系从环境中吸收磷素的能力，该时期的耐低磷能力与磷吸收效率紧密相关[26]。对小麦苗期耐低磷能力的鉴定主要是通过水培方法，这便于精确控制磷供给水平，且重复性高，同时易于观察和检测根系发育和构型相关的指标，因此，苗期可以作为评价小麦磷吸收效率的理想时期。但是水培试验条件往往忽视作物对土壤难溶磷的吸收[27]，并且，磷高效小麦品种的选育最终是要落实到产量上，这就涉及到磷素从根系到地上部分的转运以及向籽粒中转运和储存[25]。11 个小麦品种（系）在苗期和成熟期的耐低磷能力的综合评价结果显示，部分品种（系）在这2 个时期的耐低磷特性是不一致的，例如矮抗58 和百农607 在苗期的耐低磷能力优于济麦22 和安农203，但是在成熟期，济麦22 和安农203 的耐低磷能力优于矮抗58和百农607。因此，在小麦耐低磷品种筛选鉴定中，应综合考虑苗期和成熟期等不同时期的指标，针对性地选取与耐低磷综合评价值密切相关的指标。本研究根据苗期和成熟期的耐低磷综合评价值对11个小麦品种（系）的耐低磷能力进行了聚类分析，最终筛选到耐低磷型小麦品种（系）新麦67、济麦22和矮抗58，它们在苗期和成熟期均表现出较高的耐低磷特性。另外，值得注意的是，济麦22 和矮抗58是黄淮麦区连续多年主要推广的小麦品种，这可能与其具有良好的磷效率有关。